Introduction to 5G Cellular Communications

Prof. Doutor Mário Marques da Silva

Prof. Doutor João Guerreiro

Outline

▪ Evolução das Comunicações Celulares

▪ As Comunicações 5G, suas diferenças

▪ Técnicas de Transmissão de Suporte ao 5G

▪ MIMO e Massive MIMO

▪ Técnicas de Transmissão por Blocos (Prof.

João Guerreiro)

Outline

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▪ Evolução das Comunicações Celulares

▪ As Comunicações 5G, suas diferenças

▪ Técnicas de Transmissão de Suporte ao 5G

▪ MIMO e Massive MIMO

▪ Técnicas de Transmissão por Blocos

Evolução das Comunicações Celulares

Suporte a Serviços Disponibilizados

• 1G (FDMA) – Analógica (voz)

• 2G (TDMA) – GSM – Digital, Introdução dos Dados e do Roaming

• 3G (WCDMA) – UMTS – Acesso à Internet

• 4G (OFDM) – VTC (estático, difícil equalização)

• 5G (OFDM) – VTC (on the move), Condução Autónoma, Comunicações

ponto-a-ponto (IoT), Realidade Virtual, Inteligência Artificial, etc.

• Normalizado em normas 3GPP da ETSI, tendo sido adotado pela ITU-T

• Liderança das Normas Celulares Europeias

Introduction

• xxxxxx

O Novo Paradigma das Comunicações 5G e as Técnicas de Transmissão de Suporte, Dezembro 2017

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Base Station Cooperation

Mitigates Path Loss, Shadowing, Inter-cell Interference

Increases SNR

Multi-Hop Relay

Mitigates Path Loss, Shadowing, Inter-cell Interference

Increases SNR

Outline

▪ Evolução das Comunicações Celulares

▪ As Comunicações 5G, suas diferenças

▪ Técnicas de Transmissão de Suporte ao 5G

▪ MIMO e Massive MIMO

As Comunicações 5G, suas diferenças

• 5G systems (2020) are aimed to achieve:

• Higher throughputs (1 to 10 Gbps)

• Lower Latency (0,5-1 ms latency)

• Higher Capacity

• Better Spectral Efficiency

• 3GPP Release 15 (from ETSI)

• Covers: 1-Radio Access Network; 2-Services and Systems Aspects; 3-Core Network and Terminals

• ITU-T will standardize 5G as

IMT-2020

• Data, data, data…

(High Speed).

• 5G will support:

VTC on the move, real-time communications, augmented reality, support

of self-driving cars, machine-to-machine communications, etc.

• Both infrastructure centralized architecture and

device-to-device communication (to

support IoT, MANET, and Security Application)

• Massive MIMO schemes involving several tens or even hundreds of antenna elements are

expected to be central technologies for 5G systems

New Paradigm of 5G

• Support of new and emerging services

• Increase of data rates (10 Gb/s) and lower delays

• Increase of offer tends to originate an increase of demand => new

services will come

5G main Requirements:

• Transmission Rates: 10 Gbps nomadic and 1 Gbps on the move in

downlink (halved in the uplink).

• Latency: 0,5 ms for tactile interaction.

• Capacity: targets can be as high as 15 Tbps/km2 with 250 000 users/km2

for indoor hotspots such as office environments.

•Spectral Efficiency

•Downlink 30bit/s/Hz -

services require more in the downlink

•Uplink 15bit/s/Hz -

uplink is the bottleneck, due to lower Tx Power, and lower

number of Tx antenas, …

HOW TO ACHIEVE 5G?

• Massive MIMO

(instead of conventional MIMO)

• Base Station Cooperation

• Multi-hop Relay

• All-over IP

• Adaptive Modulation and Coding

• Multi-Resolution Techniques

• OFDM and other block Transmission Techniques

• Carrier Agreggation

• Etc.

•Hundreds or Thousands

of Tx and Rx Antennas

•Complexity grows exponentially =>

Signal

Processing

•mm-Wave facilitates m-MIMO

, as distance

between antennas is reduced.

Massive MIMO

• mm-Wave communications

(30-300GHz - EHF) are expected to be a

crucial part of 5G systems due to their

increased channel

coherence bandwidth

, as compared to centimeter Wave. These

systems use carrier frequencies of 30 - 70 GHz, where we have

large unoccupied bandwidth.

• Ex: IEEE802.11ad uses 2.16 GHz of BW in 60 GHz band (ISM band), supporting up to 7

Gbps.

• Moreover, the distance between antennas is reduced, facilitating a

higher number of antennas elements (Massive MIMO)

• However,

mm-Wave suffers from high path loss and rain and

oxygen absorption.

Outline

27

▪ Evolução das Comunicações Celulares

▪ As Comunicações 5G, suas diferenças

▪ Técnicas de Transmissão de Suporte ao 5G

▪ MIMO e Massive MIMO

▪ Técnicas de Transmissão por Blocos

Multipath Interference

Intersymbol Interference

• Higher Signal Bandwidth corresponds to higher

Intersymbol Interference

Outline

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▪ Evolução das Comunicações Celulares

▪ As Comunicações 5G, suas diferenças

▪ Técnicas de Transmissão de Suporte ao 5G

▪ MIMO e Massive MIMO

Conclusions

▪ As Comunicações 5G são esperadas a partir de 2020, com algumas inovações sobre 4G:

▪ Ritmos de transmissão 10 vezes superiores (10 Gb/s acesso nomádico)

▪ Atrasos 10 vezes inferiores (0,5-1 ms)

▪ Comunicações diretas terminal-terminal (tal como o TETRA, p.e.), suportando Internet of

Things, Realidade Virtual e Condução Autónoma

▪ Suportado em Massive-MIMO.

▪ Incorporação de ondas milimétricas (que têm maior largura de banda) e que facilitam a

implementação do Massive-MIMO (em Investigação).

▪ Outras técnicas, como Base-Station Cooperation, Multi-Hop Relay, Multi-Resolution

Techniques, Técnicas de Transmissão por Blocos (e.g., OFDM), Carrier Agreggation, AMC,

etc., também contribuem para suportar estas maiores velocidades (em Investigação).

▪ Aumentos de ritmos de transmissão resultam da conjugação optimizada de multiplas

técnicas de transmissão.

Obrigado